超越之眼

蘇東亮++景帥++王奇

摘要：隨著科技的進步和教育觀念的轉變大學課堂師生的交互性顯得愈發重要，這款系統由教室前方的攝像頭和課桌上的自適應手機架組成。同學需要回答問題時可將內容通過手機傳到教室前方屏幕上，以達到聲音放大和圖像呈現的效果，而坐在教室后方常看不見黑板的同學便可通過手機看到由前方攝像頭所拍攝到的授課內容，這極大增強了課堂上師生之間的交互性。

關鍵詞：教學；影像；交互

一、總體結構

超越之眼——教室影像實時互交系統主要由前方攝像云臺、單片機控制電路、自適應手機夾具、底部固定支架和多自由度支撐架五大部分組成。

手機夾緊裝置：未使用時，手機鎖緊裝置處于松散狀態。當有手機插入時，手機推動底部擋板運動，擋板固結于豎向運動齒條，然后通過雙聯齒輪和橫向運動齒條傳動，將縱向運動變向為橫向運動，從橫向夾緊手機。當需要解鎖時，通過控制電路使電磁鐵所在電路導通，電磁鐵帶動棘爪收縮，棘爪與棘輪脫離接觸。手機擋板的約束全部消除，手機可以順利拿出。

手機支架部分：采用RR開鏈機械臂，共有5個自由度，保證了手機各個角度的轉動。

二、機械部分理論設計

（一）手機架自適應夾具部分。如上圖是手機夾緊部分的示意圖，夾具主體經填充物填充后有效地夾緊尺寸為豎直方向95mm,橫向90mm，手機未被放入之前底部距頂端30mm。

兩個齒輪分別連接兩根齒條，在手機向下移動的同時橫向齒條帶動夾板橫向夾緊手機；若能穩定可靠的夾好手機，則至少手機總長的二分之一要被夾住。

我們調查后發現市面上主流手機尺寸寬度在58mm-70mm之間，長度110mm-140mm之間。若設手機長度為h寬度為b故有：≤+30≤h。帶入數值得：0.4≤i ≤0.5。其中i為手機縱向和橫向下降距離之比；由于角速度和時間相同，i即齒輪的傳動比。考慮到尺寸和整體布局以及加工難易程度最終的齒輪參數為：m1=m2=0.5z1 =40z2=20 i=0.5

（二）鎖緊裝置。現計算手機夾緊力，由功率守恒，有：

。經計算得：F=，其中F —推入力v1—推入速度v2—側板橫移速度F2—橫向壓緊力η —傳動效率

i—傳動比（i取0.5） P——功率。這里傳動效率η0.9 ，則有

F2=1.8F1 F2>F1力得到了放大，夾緊力大于推入力成立。

（三）桿體部分。將模型簡化為BC和CD的二級桿組。當連接板體轉動副在某位置自鎖時，可將連桿簡化成如圖

圖二 RR運動簡化圖

其中轉動副A、B都是周轉副，則點P可以到達的區域為以A點為圓心，外徑ι1+ι2,內徑|ι1-ι2|的圓環。點P的位置一般是給同學呈像或是拍攝桌面稿紙上的內容，此時求解桿體位置參數：將點A與點（x,y）連接起來r=Φ=arctan 由余弦定理可得：α=arccos，β=arccos則，θ2=π±α，θ1=Φ±β由此可得有確定的解，點P確定時有確定的位置參數。

三、電氣部分

電氣部分主要利用單片機來實現統計出勤率和教師終端控制手機自適應夾具的解鎖。

出勤率統計功能的主要工作過程如下：（1）手機放在自適應夾具上，觸發限位開關；（2）限位開關被觸發后啟動無線發射模塊，發出一個脈沖信號；（3）無線接收模塊接收到這個信號后產生高低電平的變化；（4）將此電平變化接入ATMEGA單片機的管腳；（5）ATMEGA單片機檢測到電平變化后，實現計數功能。

教師終端解鎖自適應夾具的工作過程如下：（1）教師終端按動按鈕產生一個信號；（2）單片機接收此信號，閉合電磁鐵回路；（3）電磁鐵通電，將棘爪吸出工作區域；（4）棘輪棘爪的反向自鎖條件被破壞，自適應夾具解鎖。

四、創新點及應用

（1）應用雙聯齒輪和齒條機構可以自適應市面上不同類型主流手機的大小尺寸；（2）運用棘輪棘爪機構配合電磁鐵以實現手機的鎖定可以實現手機各位置的自鎖，防止學生上課沉迷于玩手機；（3）引進單片機實現統計出勤率和對師生開關電路的控制。

五、前景展望

（1）基于未來課堂手機攝像頭像素較高無線網絡較好此套系統將讓師生之間的交互性變得更強；（2）適應更多的電子設備用以提高師生間的交互，比如Pad等；（3）在軟件的基礎上以后識別同學的手機尾號，通過尾號識別可以用來點到裝置；（4）適用場合多變，會議室，禮堂等。

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摘要：隨著科技的進步和教育觀念的轉變大學課堂師生的交互性顯得愈發重要，這款系統由教室前方的攝像頭和課桌上的自適應手機架組成。同學需要回答問題時可將內容通過手機傳到教室前方屏幕上，以達到聲音放大和圖像呈現的效果，而坐在教室后方常看不見黑板的同學便可通過手機看到由前方攝像頭所拍攝到的授課內容，這極大增強了課堂上師生之間的交互性。

關鍵詞：教學；影像；交互

一、總體結構

超越之眼——教室影像實時互交系統主要由前方攝像云臺、單片機控制電路、自適應手機夾具、底部固定支架和多自由度支撐架五大部分組成。

手機夾緊裝置：未使用時，手機鎖緊裝置處于松散狀態。當有手機插入時，手機推動底部擋板運動，擋板固結于豎向運動齒條，然后通過雙聯齒輪和橫向運動齒條傳動，將縱向運動變向為橫向運動，從橫向夾緊手機。當需要解鎖時，通過控制電路使電磁鐵所在電路導通，電磁鐵帶動棘爪收縮，棘爪與棘輪脫離接觸。手機擋板的約束全部消除，手機可以順利拿出。

手機支架部分：采用RR開鏈機械臂，共有5個自由度，保證了手機各個角度的轉動。

二、機械部分理論設計

（一）手機架自適應夾具部分。如上圖是手機夾緊部分的示意圖，夾具主體經填充物填充后有效地夾緊尺寸為豎直方向95mm,橫向90mm，手機未被放入之前底部距頂端30mm。

兩個齒輪分別連接兩根齒條，在手機向下移動的同時橫向齒條帶動夾板橫向夾緊手機；若能穩定可靠的夾好手機，則至少手機總長的二分之一要被夾住。

我們調查后發現市面上主流手機尺寸寬度在58mm-70mm之間，長度110mm-140mm之間。若設手機長度為h寬度為b故有：≤+30≤h。帶入數值得：0.4≤i ≤0.5。其中i為手機縱向和橫向下降距離之比；由于角速度和時間相同，i即齒輪的傳動比。考慮到尺寸和整體布局以及加工難易程度最終的齒輪參數為：m1=m2=0.5z1 =40z2=20 i=0.5

（二）鎖緊裝置。現計算手機夾緊力，由功率守恒，有：

。經計算得：F=，其中F —推入力v1—推入速度v2—側板橫移速度F2—橫向壓緊力η —傳動效率

i—傳動比（i取0.5） P——功率。這里傳動效率η0.9 ，則有

F2=1.8F1 F2>F1力得到了放大，夾緊力大于推入力成立。

（三）桿體部分。將模型簡化為BC和CD的二級桿組。當連接板體轉動副在某位置自鎖時，可將連桿簡化成如圖

圖二 RR運動簡化圖

其中轉動副A、B都是周轉副，則點P可以到達的區域為以A點為圓心，外徑ι1+ι2,內徑|ι1-ι2|的圓環。點P的位置一般是給同學呈像或是拍攝桌面稿紙上的內容，此時求解桿體位置參數：將點A與點（x,y）連接起來r=Φ=arctan 由余弦定理可得：α=arccos，β=arccos則，θ2=π±α，θ1=Φ±β由此可得有確定的解，點P確定時有確定的位置參數。

三、電氣部分

電氣部分主要利用單片機來實現統計出勤率和教師終端控制手機自適應夾具的解鎖。

出勤率統計功能的主要工作過程如下：（1）手機放在自適應夾具上，觸發限位開關；（2）限位開關被觸發后啟動無線發射模塊，發出一個脈沖信號；（3）無線接收模塊接收到這個信號后產生高低電平的變化；（4）將此電平變化接入ATMEGA單片機的管腳；（5）ATMEGA單片機檢測到電平變化后，實現計數功能。

教師終端解鎖自適應夾具的工作過程如下：（1）教師終端按動按鈕產生一個信號；（2）單片機接收此信號，閉合電磁鐵回路；（3）電磁鐵通電，將棘爪吸出工作區域；（4）棘輪棘爪的反向自鎖條件被破壞，自適應夾具解鎖。

四、創新點及應用

（1）應用雙聯齒輪和齒條機構可以自適應市面上不同類型主流手機的大小尺寸；（2）運用棘輪棘爪機構配合電磁鐵以實現手機的鎖定可以實現手機各位置的自鎖，防止學生上課沉迷于玩手機；（3）引進單片機實現統計出勤率和對師生開關電路的控制。

五、前景展望

（1）基于未來課堂手機攝像頭像素較高無線網絡較好此套系統將讓師生之間的交互性變得更強；（2）適應更多的電子設備用以提高師生間的交互，比如Pad等；（3）在軟件的基礎上以后識別同學的手機尾號，通過尾號識別可以用來點到裝置；（4）適用場合多變，會議室，禮堂等。

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摘要：隨著科技的進步和教育觀念的轉變大學課堂師生的交互性顯得愈發重要，這款系統由教室前方的攝像頭和課桌上的自適應手機架組成。同學需要回答問題時可將內容通過手機傳到教室前方屏幕上，以達到聲音放大和圖像呈現的效果，而坐在教室后方常看不見黑板的同學便可通過手機看到由前方攝像頭所拍攝到的授課內容，這極大增強了課堂上師生之間的交互性。

關鍵詞：教學；影像；交互

一、總體結構

超越之眼——教室影像實時互交系統主要由前方攝像云臺、單片機控制電路、自適應手機夾具、底部固定支架和多自由度支撐架五大部分組成。

手機夾緊裝置：未使用時，手機鎖緊裝置處于松散狀態。當有手機插入時，手機推動底部擋板運動，擋板固結于豎向運動齒條，然后通過雙聯齒輪和橫向運動齒條傳動，將縱向運動變向為橫向運動，從橫向夾緊手機。當需要解鎖時，通過控制電路使電磁鐵所在電路導通，電磁鐵帶動棘爪收縮，棘爪與棘輪脫離接觸。手機擋板的約束全部消除，手機可以順利拿出。

手機支架部分：采用RR開鏈機械臂，共有5個自由度，保證了手機各個角度的轉動。

二、機械部分理論設計

（一）手機架自適應夾具部分。如上圖是手機夾緊部分的示意圖，夾具主體經填充物填充后有效地夾緊尺寸為豎直方向95mm,橫向90mm，手機未被放入之前底部距頂端30mm。

兩個齒輪分別連接兩根齒條，在手機向下移動的同時橫向齒條帶動夾板橫向夾緊手機；若能穩定可靠的夾好手機，則至少手機總長的二分之一要被夾住。

我們調查后發現市面上主流手機尺寸寬度在58mm-70mm之間，長度110mm-140mm之間。若設手機長度為h寬度為b故有：≤+30≤h。帶入數值得：0.4≤i ≤0.5。其中i為手機縱向和橫向下降距離之比；由于角速度和時間相同，i即齒輪的傳動比。考慮到尺寸和整體布局以及加工難易程度最終的齒輪參數為：m1=m2=0.5z1 =40z2=20 i=0.5

（二）鎖緊裝置。現計算手機夾緊力，由功率守恒，有：

。經計算得：F=，其中F —推入力v1—推入速度v2—側板橫移速度F2—橫向壓緊力η —傳動效率

i—傳動比（i取0.5） P——功率。這里傳動效率η0.9 ，則有

F2=1.8F1 F2>F1力得到了放大，夾緊力大于推入力成立。

（三）桿體部分。將模型簡化為BC和CD的二級桿組。當連接板體轉動副在某位置自鎖時，可將連桿簡化成如圖

圖二 RR運動簡化圖

其中轉動副A、B都是周轉副，則點P可以到達的區域為以A點為圓心，外徑ι1+ι2,內徑|ι1-ι2|的圓環。點P的位置一般是給同學呈像或是拍攝桌面稿紙上的內容，此時求解桿體位置參數：將點A與點（x,y）連接起來r=Φ=arctan 由余弦定理可得：α=arccos，β=arccos則，θ2=π±α，θ1=Φ±β由此可得有確定的解，點P確定時有確定的位置參數。

三、電氣部分

電氣部分主要利用單片機來實現統計出勤率和教師終端控制手機自適應夾具的解鎖。

出勤率統計功能的主要工作過程如下：（1）手機放在自適應夾具上，觸發限位開關；（2）限位開關被觸發后啟動無線發射模塊，發出一個脈沖信號；（3）無線接收模塊接收到這個信號后產生高低電平的變化；（4）將此電平變化接入ATMEGA單片機的管腳；（5）ATMEGA單片機檢測到電平變化后，實現計數功能。

教師終端解鎖自適應夾具的工作過程如下：（1）教師終端按動按鈕產生一個信號；（2）單片機接收此信號，閉合電磁鐵回路；（3）電磁鐵通電，將棘爪吸出工作區域；（4）棘輪棘爪的反向自鎖條件被破壞，自適應夾具解鎖。

四、創新點及應用

（1）應用雙聯齒輪和齒條機構可以自適應市面上不同類型主流手機的大小尺寸；（2）運用棘輪棘爪機構配合電磁鐵以實現手機的鎖定可以實現手機各位置的自鎖，防止學生上課沉迷于玩手機；（3）引進單片機實現統計出勤率和對師生開關電路的控制。

五、前景展望

（1）基于未來課堂手機攝像頭像素較高無線網絡較好此套系統將讓師生之間的交互性變得更強；（2）適應更多的電子設備用以提高師生間的交互，比如Pad等；（3）在軟件的基礎上以后識別同學的手機尾號，通過尾號識別可以用來點到裝置；（4）適用場合多變，會議室，禮堂等。

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